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數(shù)控車(chē)床與車(chē)削中心功能安全設(shè)計(jì)方法的研究

2015-04-08 02:04:36周肇元
制造技術(shù)與機(jī)床 2015年7期
關(guān)鍵詞:數(shù)控車(chē)床主軸機(jī)床

周肇元

(沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110142)

隨著GB 22997-2008《機(jī)床安全 小規(guī)格數(shù)控車(chē)床與車(chē)削中心》與GB 22998-2008 機(jī)床安全 大規(guī)格數(shù)控車(chē)床與車(chē)削中心》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,車(chē)類(lèi)數(shù)控機(jī)床在其功能安全設(shè)計(jì)上進(jìn)入了新的時(shí)代。本文將對(duì)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入的解讀。

1 概述

GB 22997-2008 標(biāo)準(zhǔn)是在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12415:2000 的基礎(chǔ)上等效修改而來(lái),GB22998-2008 標(biāo)準(zhǔn)是在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12478:2000 的基礎(chǔ)上等效修改而來(lái)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大同小異,本文僅針對(duì)GB 22997-2008 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

國(guó)際上對(duì)機(jī)械電氣安全有兩套成熟的體系,一類(lèi)是以IEC 61508 為基礎(chǔ)的IEC 62061,其對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)為GB 28526-2012《機(jī)械電氣安全 安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全》。另一類(lèi)即是ISO 13849-1。

這兩套標(biāo)準(zhǔn)體系的側(cè)重點(diǎn)不同,IEC 62061 更適合用來(lái)評(píng)估比較復(fù)雜的電子系統(tǒng),其根據(jù)相關(guān)計(jì)算得出每個(gè)控制通道的PFH(每小時(shí)的危險(xiǎn)失效概率)將元件或者系統(tǒng)分為了3 個(gè)SIL 等級(jí),即SIL1 級(jí)、SIL2 級(jí)、和SIL3 級(jí),但不僅是針對(duì)電子電氣系統(tǒng);當(dāng)然它也參照了IEC 60204、ISO 12100 和ISO 13849 等,但主要是參照了其中對(duì)機(jī)械安全和電氣安全的要求。ISO 13849 則不然,它基本上還是傳承了EN 14121 和EN 954 的基本原則,側(cè)重于分析控制電路的結(jié)構(gòu),按照電路結(jié)構(gòu),將電路分成B、1、2、3、4 共5 個(gè)類(lèi)別,再輔以適當(dāng)?shù)腗TTF 值和DC 值,來(lái)達(dá)到預(yù)期的PL(performance level)等級(jí)a、b、c、d、e 這5 個(gè)等級(jí)。

由此可以看出,使用ISO 13849 對(duì)機(jī)床的安全電路進(jìn)行評(píng)估,會(huì)比較方便,GB 22997-2008 中也確實(shí)是這么做的。

ISO 13849-1:2006 的等效國(guó)標(biāo)為GB/T 16855.1-2008《機(jī)械安全 控制系統(tǒng)有關(guān)安全部件第1 部分:設(shè)計(jì)通則》,該標(biāo)準(zhǔn)是我們解讀GB 22997 的理論基礎(chǔ)。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是以系統(tǒng)方法對(duì)與機(jī)械有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)的一系列邏輯步驟,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估之后需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)減小。為了盡可能通過(guò)采取保護(hù)措施消除危險(xiǎn)或充分減小風(fēng)險(xiǎn),有必要重復(fù)進(jìn)行該過(guò)程。

保護(hù)措施是設(shè)計(jì)者和使用者根據(jù)圖1 所采取的措施的組合。在設(shè)計(jì)階段采取的措施優(yōu)于在試用階段由使用者采取的措施,而且通常更有效。

對(duì)應(yīng)到數(shù)控車(chē)床的安全設(shè)計(jì)上,首先要按照GB/T 15706-2012 中第4 章和GB/T 16856.1-2008 的規(guī)定進(jìn)行安全評(píng)估,最終形成危險(xiǎn)一覽表。然后設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)圖1 所示流程分3 步采取保護(hù)措施:第1 步需要提高機(jī)械部分的本質(zhì)安全設(shè)計(jì),比如在危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置防護(hù)裝置等;第2 步開(kāi)始進(jìn)行功能安全設(shè)計(jì),即是本文的宗旨;第3 步是在功能安全設(shè)計(jì)無(wú)法顧及的方面設(shè)置安全提示。

GB 22997-2008 標(biāo)準(zhǔn)中已將小規(guī)格數(shù)控車(chē)床上涉及的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估,并已形成詳盡的危險(xiǎn)一覽表,同時(shí)對(duì)各項(xiàng)危險(xiǎn)指標(biāo)給予了明確的安全要求和保護(hù)措施。本文將針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中涉及控制系統(tǒng)的幾項(xiàng)重要的功能安全部分進(jìn)行詳細(xì)解讀。

3 控制系統(tǒng)相關(guān)功能安全設(shè)計(jì)

3.1 起動(dòng)

GB 22997-2008 對(duì)該部分的要求除了要符合GB 5226.1-2008 的相關(guān)規(guī)定外,特殊做了下面的強(qiáng)調(diào),“起動(dòng)和重新啟動(dòng)應(yīng)符合GB/T 16855.1-2008 中規(guī)定的1 類(lèi)要求”。

GB/T 16855.1-2008 即等效ISO 13849-1:2006,該標(biāo)準(zhǔn)的最終目的是要使控制電路的結(jié)構(gòu)達(dá)到其預(yù)期的PL 等級(jí)。而Cat.類(lèi)別是計(jì)算PL 等級(jí)水平的結(jié)構(gòu)因素。

Cat.1 類(lèi)結(jié)構(gòu)是一種單通道的系統(tǒng)(圖2),同時(shí)屬于1 類(lèi)的SRP/CS 應(yīng)采用經(jīng)驗(yàn)證的元件和經(jīng)驗(yàn)證的安全原則來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)造。在有關(guān)的應(yīng)用中,“經(jīng)驗(yàn)證的元件”是指下列之一:

(a)在過(guò)去類(lèi)似的應(yīng)用中取得了成功效果的元件。

(b)在有關(guān)安全的應(yīng)用中,采用證明了其實(shí)用性和可靠性的原則而制造的且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的元件。

如果最新開(kāi)發(fā)的元件和行程的安全原則滿足(b)中的條件,那么可認(rèn)為其與“經(jīng)驗(yàn)證的”等效。決定是否接收一個(gè)特殊元件作為“經(jīng)驗(yàn)證的”元件取決于實(shí)際應(yīng)用。

每個(gè)通道的MTTFd(平均危險(xiǎn)失效時(shí)間)應(yīng)是最高的。

綜上所述,起動(dòng)回路的設(shè)計(jì)方法維持單通道即可,但需保證回路中的元件是“經(jīng)驗(yàn)證的元件”。

對(duì)于起動(dòng)的其他一些動(dòng)作要求,參見(jiàn)GB 22997-2008 標(biāo)準(zhǔn)的5.1.3 中的規(guī)定執(zhí)行。

3.2 運(yùn)行中停止

GB 22997-2008 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,在機(jī)床運(yùn)行中停止時(shí),除了需要符合GB 5226.1-2008 中9.2.2 規(guī)定的2 類(lèi)停止要求,對(duì)于需保持動(dòng)力的工件夾持主軸,應(yīng)配有主軸驅(qū)動(dòng)監(jiān)視器。監(jiān)視器應(yīng)滿足GB/T 16855.1-2008 中規(guī)定的3 類(lèi)要求。

GB 5226.1-2008 中關(guān)于停止功能的3 種類(lèi)型規(guī)定如下:

0 類(lèi):用即刻切除機(jī)械致動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力的辦法停車(chē)(即不可控停止);

1 類(lèi):給機(jī)械致動(dòng)機(jī)構(gòu)施加動(dòng)力去完成停車(chē)并在停車(chē)后切除動(dòng)力的可控停止;

2 類(lèi):利用儲(chǔ)留動(dòng)能施加于機(jī)械致動(dòng)機(jī)構(gòu)的可控停止。

GB/T 16855.1-2008 中對(duì)Cat.3 類(lèi)結(jié)構(gòu)要求:3 類(lèi)的SRP/CS 的設(shè)計(jì)應(yīng)使得任何這些部件中的單一故障都不會(huì)導(dǎo)致安全功能喪失。只要合理可行,在有關(guān)安全功能的下一個(gè)指令發(fā)出時(shí)或發(fā)出之前應(yīng)檢測(cè)出單一故障(圖3)。

簡(jiǎn)而言之,Cat.3 類(lèi)結(jié)構(gòu)是一種雙通道冗余設(shè)計(jì),符合3 類(lèi)要求的電路具備在任意一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí),另一個(gè)通道可以檢測(cè)出故障并觸發(fā)相應(yīng)的安全保護(hù)功能。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,在車(chē)床工件主軸的功能設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)其停止時(shí)的零速監(jiān)控需要進(jìn)行雙通道冗余設(shè)計(jì),在數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的零速監(jiān)控基礎(chǔ)上,需額外附加一組獨(dú)立的電路用以確保主軸處于零速狀態(tài)。這里可以使用Pilz 等公司生產(chǎn)的速度監(jiān)控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于運(yùn)行中的其他一些動(dòng)作要求,參見(jiàn)GB 22997-2008 標(biāo)準(zhǔn)的5.1.4 中的規(guī)定執(zhí)行。

3.3 緊急停止

緊急停止功能是機(jī)床功能安全設(shè)計(jì)的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。GB 22997-2008 規(guī)定該功能應(yīng)符合GB 5226.1-2008 中9.2.2 規(guī)定的1 類(lèi)停止要求,并符合GB 5226.1-2008 中9.2.5.4 和GB/T 16754-2008 的有關(guān)規(guī)定。

除此之外,標(biāo)準(zhǔn)中更是強(qiáng)調(diào)了緊急停止功能如果采用硬線控制,應(yīng)符合GB/T 16855.1-2008 中規(guī)定的1 類(lèi)要求。對(duì)于其他情況(如軟件控制)應(yīng)符合GB/T 16855.1-2008 中規(guī)定的3 類(lèi)要求。

換言之,緊急停止功能如果通過(guò)硬件線路實(shí)現(xiàn),即按下急停按鈕實(shí)現(xiàn)可控停止后,即將整個(gè)致動(dòng)機(jī)構(gòu)的外部供電切斷,此時(shí)使用單通道的電路結(jié)構(gòu)即可符合要求。但是如果將緊急停止的信號(hào)接入運(yùn)算部件(如PLC),通過(guò)軟件進(jìn)行緊急停止,就需要對(duì)進(jìn)行雙通道冗余設(shè)計(jì)方式。因此建議緊急停止功能應(yīng)盡量使用硬件線路,通過(guò)安全繼電器進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

對(duì)于緊急停止的其他要求,參見(jiàn)GB 22997-2008 標(biāo)準(zhǔn)中5.1.5 中的規(guī)定執(zhí)行。

3.4 模式選擇

GB 22997-2008 中規(guī)定機(jī)床必須設(shè)置兩種工作方式,即生產(chǎn)工作方式和調(diào)整工作方式,圖4 對(duì)兩種工作方式下的機(jī)床安全措施進(jìn)行了解釋。對(duì)于這兩種工作方式必須設(shè)置工作方式選擇開(kāi)關(guān),選擇開(kāi)關(guān)在所選方式下能鎖住。同時(shí)按照GB 5226.1-2008 中9.2.3 的規(guī)定,應(yīng)采取合適的措施(如鑰匙開(kāi)關(guān)、通路編碼)來(lái)防止工作方式選擇可能引起的險(xiǎn)情。因此強(qiáng)烈建議該選擇開(kāi)關(guān)使用鑰匙開(kāi)關(guān)。

GB 22997-2008 中還規(guī)定選擇功能應(yīng)符合GB/T 16855.1-2008 中的1 類(lèi)要求(見(jiàn)3.2)。

3.4.1 生產(chǎn)工作方式

在生產(chǎn)工作方式下,當(dāng)活動(dòng)式防護(hù)裝置脫開(kāi)時(shí),機(jī)床部件應(yīng)停止運(yùn)動(dòng),下列情況除外:換工件時(shí),工件夾具的脫開(kāi)和閉合運(yùn)動(dòng);主軸運(yùn)轉(zhuǎn)由自復(fù)位命令裝置(瞬時(shí)開(kāi)關(guān))控制,轉(zhuǎn)速≤50 r/min。

只有當(dāng)聯(lián)鎖的活動(dòng)式防護(hù)裝置閉合時(shí),才允許其他的運(yùn)動(dòng)。

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這部分的講解,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)即是在生產(chǎn)工作方式下,當(dāng)機(jī)床主防護(hù)門(mén)打開(kāi)時(shí),機(jī)床各軸均應(yīng)停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)僅允許執(zhí)行卡盤(pán)松卡的動(dòng)作,并且主軸僅允許點(diǎn)動(dòng)操作,同時(shí)速度限制為最高50 r/min(對(duì)應(yīng)大型數(shù)控車(chē)床及車(chē)削中心,此項(xiàng)參數(shù)有區(qū)別,具體參見(jiàn)GB 22998-2008)。

3.4.2 調(diào)整工作方式

在調(diào)整工作方式下,當(dāng)活動(dòng)式防護(hù)裝置脫開(kāi)時(shí),機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng),應(yīng)在下列條件下進(jìn)行:

(1)軸線運(yùn)動(dòng)最高速度≤2 m/min。只允許用自復(fù)位命令裝置(瞬時(shí)開(kāi)關(guān))(符合GB/T 16855.1-2008 中規(guī)定的3類(lèi)要求)控制,移動(dòng)距離≤6 mm。

(2)工件主軸和/或刀具主軸的轉(zhuǎn)速≤50 r/min,并且運(yùn)動(dòng)由自復(fù)位命令裝置(瞬時(shí)開(kāi)關(guān))控制。

(3)只有當(dāng)操作者的雙手處在危險(xiǎn)之外時(shí),才允許刀架轉(zhuǎn)動(dòng)/分度。如采用GB/T 19671-2005 中6.2 規(guī)定的II 行或IIIB 型雙手操縱開(kāi)關(guān),或采用同使能裝置一起使用的自復(fù)位命令裝置(瞬時(shí)開(kāi)關(guān))。

(4)尾座套筒的操作,有自復(fù)位命令裝置(瞬時(shí)開(kāi)關(guān))控制。所采用的安全裝置和措施,如在自復(fù)位命令裝置(瞬時(shí)開(kāi)關(guān))控制下,降低刀具、主軸和軸線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行速度;采用雙手操縱開(kāi)關(guān)或同使能裝置一起使用的自復(fù)位命令裝置(瞬時(shí)開(kāi)關(guān)),轉(zhuǎn)動(dòng)/分度轉(zhuǎn)塔刀架,僅應(yīng)在調(diào)整方式下進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這部分的講解,簡(jiǎn)而言之即在調(diào)整工作方式下,軸向運(yùn)動(dòng)的機(jī)床軸只能點(diǎn)動(dòng)操作(該點(diǎn)動(dòng)按鍵回路必須為雙通道冗余控制,如數(shù)控系統(tǒng)具備相關(guān)認(rèn)證,可使用系統(tǒng)自帶按鍵操作,如果系統(tǒng)不具備相關(guān)認(rèn)證,必須自行設(shè)計(jì)控制回路予以實(shí)現(xiàn)),并且速度限制為最高2 m/min。主軸也僅允許點(diǎn)動(dòng)操作運(yùn)行,同時(shí)速度限制為最高50 r/min(對(duì)應(yīng)大型數(shù)控車(chē)床及車(chē)削中心,此項(xiàng)參數(shù)有區(qū)別,具體參見(jiàn)GB 22998-2008)。

3.5 速度控制

GB 22997-2008 中規(guī)定對(duì)于監(jiān)控共建主軸和刀具主軸速度的控制系統(tǒng)安全部件,應(yīng)符合GB/T 16855.1-2008 中規(guī)定的3類(lèi)要求(見(jiàn)3.2);對(duì)于監(jiān)控軸線運(yùn)動(dòng)速度的控制系統(tǒng)安全部件,應(yīng)符合GB/T 16855.1-2008 中規(guī)定的2 類(lèi)要求。

GB/T 16855.1-2008 中對(duì)Cat.2 類(lèi)結(jié)構(gòu)要求:

2 類(lèi)的SRP/CS 的設(shè)計(jì)應(yīng)使其功能按照適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔通過(guò)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查(圖5)。安全功能的檢查應(yīng)在以下情況下進(jìn)行:在機(jī)器啟動(dòng)時(shí),或某種危險(xiǎn)狀況發(fā)生之前,例如新周期開(kāi)始時(shí)、其他運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)、和(或)如果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和操作類(lèi)型表明是有必要的,周期性定期運(yùn)行期間。

該檢查可能是自動(dòng)進(jìn)行的。安全功能的任何檢查應(yīng)做到如果沒(méi)有檢測(cè)到故障,允許運(yùn)行;或者如果檢測(cè)到故障,產(chǎn)生觸發(fā)適當(dāng)控制動(dòng)作的輸出。

只要可能,這種輸出應(yīng)產(chǎn)生一種安全狀態(tài)。安全狀態(tài)應(yīng)保持到故障清除為止。當(dāng)不可能產(chǎn)生安全狀態(tài)時(shí)(例如終極開(kāi)關(guān)裝置中的觸點(diǎn)焊合),該輸出應(yīng)發(fā)出危險(xiǎn)警告。

簡(jiǎn)而言之,Cat.2 類(lèi)結(jié)構(gòu)是一種單通道有監(jiān)控的設(shè)計(jì),因此軸向運(yùn)動(dòng)的機(jī)床軸應(yīng)確保配置全閉環(huán)控制系統(tǒng),同時(shí)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備相應(yīng)的認(rèn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

GB 22997-2008《機(jī)床安全 小規(guī)格數(shù)控車(chē)床與車(chē)削中心》與GB 22998-2008《機(jī)床安全 大規(guī)格數(shù)控車(chē)床與車(chē)削中心》標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施代表了我國(guó)在機(jī)床功能安全設(shè)計(jì)方面與國(guó)際接軌的決心。同時(shí)為了適應(yīng)及過(guò)渡,國(guó)標(biāo)中并沒(méi)有執(zhí)行ISO 13849-1:2006 的核心性能等級(jí)PL,而是使用了EN954 時(shí)代的結(jié)構(gòu)等級(jí)(B、1、2、3、4 等5 類(lèi))標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)的機(jī)床廠家應(yīng)及早對(duì)各自的產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),以免落后于時(shí)代的潮流。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 5226.1-2008,機(jī)械電氣安全 機(jī)械電氣設(shè)備第1 部分:通用技術(shù)條(IEC 60204-1:2005,IDT)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15706-2012,機(jī)械安全 設(shè)計(jì)通則 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)減小(ISO 12100:2010,IDT)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15760-2004,金屬切削機(jī)床 安全防護(hù)通用技術(shù)條件[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 16754-2008,機(jī)械安全 急停 設(shè)計(jì)通則(ISO 13850:2006,IDT)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

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[9]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 28526-2012,機(jī)械電氣安全 安全相關(guān)電氣、電子和可編程電子控制系統(tǒng)的功能安全(IEC 62061:2005,IDT)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012

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